“双管齐下”助力碳负极高效储钾

2. 探究孔径尺寸与储钾性能的关系，表明介孔尺寸越小储钾性能越好，同时验证了介孔体积越大对应的储钾性能越突出。

3. 电容控制效应在总储钾机制中起主导作用，并且氮掺杂介孔碳球负极材料成功应用于钾离子全电池，实现了较高倍率容量。

图1. (a) MCS-7-900、MCS-12-900和MCS-22-900的合成示意图；(b, c, d) 依次是MCS-7-900、MCS-12-900和MCS-22-900的SEM图；(e, f, g) 依次是MCS-7-900、MCS-12-900和MCS-22-900的TEM图；MCS-7-900的(h) TEM图，(i) HRTEM图和(j) 元素分布图。

图2. (a, b) MCS-7-750、MCS-7-900和MCS-7-1050的XRD图和Raman图；MCS-7-900的(c) XPS全谱图，(d) N 1s的高分辨XPS图和(e, f) 氮气吸脱附曲线及孔径分布图。

氮掺杂介孔碳球所具有的特有结构有利于缩短钾离子的传输距离和提高钾离子扩散速率，从而提高储钾能力。图3a证明MCS-7-900在充放电过程中具有较高的可逆性。同时，MCS-7-900对比MCS-12-900和MCS-22-900具有较高的倍率性能，尤其在5000 mA/g条件下实现倍率容量为107.9 mAh/g(图1b, c)。在循环性能方面，MCS-7-900的性能均优于其他对照样品，特别是在1000 mA/g电流密度下循环了3600圈后仍能达到113.9 mAh/g(图3d-f)。

图3. MCS-7-900的(a) 在0.1 mV/s下的CV曲线图和(b) 在50-5000 mA/g下的充放电曲线图；MCS-7-900、MCS-12-900和MCS-22-900的电化学性能对比：(c) 倍率性能图；(d) 在100mA/g下的循环性能图；(e) 在1000 mA/g下的长循环性能图；(f) 在2000 mA/g下的循环性能图。

为了明晰MCS-7-900的储钾机制和动力学，本文首先采用不同扫速的CV曲线进行探究(图4a-e)。实验数据表明，电容控制贡献在储钾机制中起主导作用，这与其独特的结构特征息息相关。此外，还利用EIS方法包括不同圈数的EIS和非原位EIS揭示充放电过程中的电荷传输电阻(R_ct)的变化(图4f-h)。结果表明：R_ct随着循环圈数的增加呈现下降趋势，这可能源于“自活化”现象。不仅如此，还揭示了在单个循环中R_ct随放电过程呈下降趋势而在充电过程中呈上升趋势的变化过程。与此同时，借助GITT方法证明钾离子在MCS-7-900中具有较高的扩散系数(图4i)。

图4. MCS-7-900的电化学特性：(a) 在0.2-10.0 mV/s下的CV曲线；(b) 0.2 mV/s下的电容贡献CV图；(c) 10 mV/s下的电容贡献CV图；(d) 两种储钾机制的贡献图；(e) log(i)vs. log(v)的曲线；(f) 在1000 mA/g下的不同圈数的奈奎斯特图；(g) 在50 mA/g下非原位EIS的放电过程；(h) 在50 mA/g下非原位EIS的充电过程；(i) GITT曲线。

IV DFT计算

图5. 基于各种氮掺杂结构的钾吸附理论模拟：(a, d) 钾吸附在N-Q结构上的俯视图和侧视图；(b, e) 钾吸附在N-5结构上的俯视图和侧视图；(c, f) 钾吸附在N-6结构上的俯视图和侧视图；钾吸附的差分电子密度图的俯视图和侧视图：(g, j) N-Q；(h, k) N-5；(i, l) N-6。其中，C、N和K原子分别以棕色、银色和紫色球呈现。黄色和蓝色区域分别表示增加和减少的电子密度。

图6.(a) MCS-7-900//PTCDA全电池工作机理示意图；(b, c) 在100-1000 mA/g下全电池的倍率性能及其充放电曲线；(d) 在1000 mA/g下全电池的长循环性能；(e) 全电池点亮红色LED灯珠。